Timonen.Jere.pdf - Theseus

Tampereen ammattikorkeakoulu Kemiantekniikan koulutusohjelma Jere Timonen

Opinnäytetyö Oppimateriaali Höyrykattila ja sen toiminta voimalaitoksen osana Työn ohjaaja lehtori, Anne Ojala Työn tilaaja TAMK Tampere 5/2009

Tampereen ammattikorkeakoulu Kemiantekniikan koulutusohjelma Tekijä Jere Timonen Työn nimi Oppimateriaali: Höyrykattila ja sen toiminta voimalaitoksen osana Sivumäärä 44 Valmistumisaika 11/2009 Työn ohjaaja Anne Ojala Työn tilaaja TAMK TIIVISTELMÄ Työn tarkoituksena on luoda oppimateriaali käytettäväksi eri kursseille, joissa käsitel-

lään lämmönsiirtoa, termodynamiikkaa tai muulla tavoin perehdytään höyryntuotan-

toon. Työssä selvitetään höyrykattilan toiminta ja höyryntuotannon periaatteet läpi siten,

että asiasta ymmärtää perusteet. Työn ensimmäisessä osassa selvitetään teollisuuden

voimalaitoksien toimintaa. Toisessa osiossa tarkastellaan kattilalaitoksen eri komponen-

tit kauttaaltaan sekä niiden ominaisuuksia. Kolmas osio sisältää yleisimmät käytössä

olevat polttotekniikat.

Avainsanat höyryntuotto, sähköntuotto, teollisuus, voimalaitos, kattila, turbiini, höy-

ry, sähkö

TAMK University of Applied Sciences Chemical Engineering Writer Jere Timonen Thesis Teaching material: The steam boiler and function as part of the

power plant Pages 44 Graduation time 11/2009 Thesis supervisor Anne Ojala Co-operating Company TAMK

ABSTRACT In this thesis the course material to be used in TAMK was created. This material is

meant to be used in courses that involve heat transfer, thermal dynamics or any other

matter of the steam production process. This thesis runs through the steam boiler func-

tions in a way, that one should be able to understand the basics of this subject. The first

part of the thesis deals with the basic ideas of power plants. The second part scrutinizes

the different components and properties of boiler plants. The third part is about the most

commonly used burning techniques.

Keywords steam production, electricity production, industry, power plant, boiler,

turbine, steam, electricity

Alkusanat

Työn ideana oli saada mahdollisimman selkeä kuva, mikä on höyrykattila ja kuinka se

toimii voimalaitoksessa. Luotettavien lähteiden löytäminen oli työn haastavin osio, on-

nistuin tässä kuitenkin lopulta hyvin. Kiitän Tampereen sähkölaitosta ja Kari Wessma-

nia sekä tutustumiskäynnistä sähkölaitokseen, että saadusta materiaalista.

Tampereella marraskuussa 2009

Jere Timonen

Tampereen ammattikorkeakoulu Kemiantekniikan koulutusohjelma

Sisällysluettelo

Johdanto ........................................................................................................................... 7

1 Voimalaitosprosessi ...................................................................................................... 8

1.1 Höyrykattilan periaate ..................................................................................... 8 1.2 Höyryvoimalaitosten toimintaperiaate .......................................................... 10 1.2.1 Lauhdevoimalaitos ..................................................................................... 10 1.2.2 Vastapainevoimalaitos ............................................................................... 12 1.2.3 Kaasuturbiinivoimalaitos ........................................................................... 12 1.2.4 Kombivoimalaitos ...................................................................................... 15 1.3 Voimalaitosten energialähteet Suomessa ...................................................... 16

2 Höyrykattilat ja vesi-höyrypiirin komponentit ....................................................... 18

2.1 Luonnonkiertokattila ..................................................................................... 18 2.2 Pakkokiertokattila .......................................................................................... 18 2.3 Benson-kattila ................................................................................................ 20 2.4 Sulzer-kattila ................................................................................................. 21 2.5 Höyrystimen toiminnasta .............................................................................. 23 2.6 Tulistimet ...................................................................................................... 25 2.6.1 Säteilytulistin .............................................................................................. 27 2.6.2 Konvektiotulistin ........................................................................................ 27 2.6.3 Yhdistelmätulistin ...................................................................................... 28 2.6.4 Tulistimien rakenne .................................................................................... 28 2.7 Tuloveden esilämmitin (EKO, Ekonomaiser) ............................................... 29 2.8 Tuloilman esilämmitin (LUVO, Luftvorwärmer) ......................................... 31

3 Polttolaitteet ................................................................................................................ 32

3.1 Poltinpoltto .................................................................................................... 32 3.1.1 Öljypoltto ................................................................................................... 33 3.1.2 Kaasunpoltto ............................................................................................... 34 3.1.3 Kiinteän polttoaineen poltinpoltto .............................................................. 35 3.2 Arinapoltto .................................................................................................... 36 3.2.1 Kiinteä tasoarina ......................................................................................... 36 3.2.2 Kiinteä viisto- tai porrasarina ..................................................................... 36 3.2.3 Alasyöttöarina ............................................................................................ 37 3.2.4 Mekaaninen ketjuarina ............................................................................... 38 3.2.5 Valssiarina .................................................................................................. 39 3.3 Leijukerrospoltto ........................................................................................... 40

Lähteet ............................................................................................................................ 43

Liitteet ............................................................................................................................ 44

Erityissanasto

Kavitaatio Ilmiö, jossa neste, yleensä vesi, alkaa kiehua paineen laskun takia.

Konvektio Tarkoittaa aineen mukana kulkemista, esimerkiksi lämpö, joka kulkee

savukaasun mukana.

Johdanto

Höyryä tarvitaan teollisuudessa useisiin eri tarkoituksiin. Näitä ovat esimerkiksi läm-

mönsiirto, kuivatus, kaasujen- ja kakkujen pesu sekä sähköntuotanto. Sähkön- ja höy-

ryntuotanto ovat niitä tärkeimpiä asioita, joiden pitää toimia moitteettomasti ja tehok-

kaasti jokapäiväisessä elämässä. Tässä työssä tarkastellaan voimalaitoksen höyrykatti-

lan tarkoitusta, toimintaa sekä kattilan vesi-höyry piiriä.

8 (8)

1 Voimalaitosprosessi

1.1 Höyrykattilan periaate

Veden höyrystäminen on höyrykattilan perusidea. Kattilan putkistoon syötetään vettä ja

lopputuloksena saadaan vesihöyryä. Muuttuakseen höyryksi putkistossa vesi vaatii ul-

kopuolista lämpöä. Tämä lämpö tuotetaan putkistoon lähinnä polttoaineilla. Polttoainei-

ta polttamalla saadaan putkiston vesi höyrystymislämpötilaan, jolloin vesi alkaa höyrys-

tyä. Höyrystymislämpötila riippuu paineesta. Vedelle ominainen höyrynmuodostuminen

saavuttaa suurimman mahdollisen arvonsa tietyssä tilavuudessa ja lämpötilassa. Kun

kaikki vesi on höyrystynyt ja sitä on niin paljon kuin on mahdollista tässä lämpötilassa,

puhutaan kylläisestä höyrystä. Kun kylläistä höyryä kuumennetaan tilassa, jossa ei ole

nestettä, käytetään termiä tulistaminen. (Lahtinen 2007, 4.)

Höyrykattilan perusajatus on muuttaa kattilaan syötetty vesi tulistetuksi höyryksi. Ny-

kyaikainen höyrykattila on perusperiaatteeltaan eräänlainen putki, jossa vesi käy läpi

erivaiheita. Esimerkkinä voidaan käyttää luonnonkiertokattilaa. Kuviossa 1 on numeroi-

tu eri vaiheet.

9 (9)

Kuvio 1: Luonnonkiertokattilan vesihöyrypiiri

1) Ensin syöttöveden paine korotetaan kattilassa vallitsevaan paineeseen syöttö-

vesipumpuilla.

2) Syöttövettä lämmitetään syöttöveden esilämmittimessä (Economizer, EKO) ennen

kuin se pumpataan lieriöön. Vesi lämmitetään lähelle kiehumispistettä savukaasuilla.

3) Esilämmitetty vesi johdetaan lieriöön, jonka tehtävänä on erotella vesi ja höyry. Erot-

telu tapahtuu veden ja höyryn tiheyseron avulla. Lieriöstä vesi valuu painovoiman avul-

la laskuputkia pitkin höyrystimeen.

4) Höyrystimessä lämpö siirtyy tulipesästä veteen ja se höyrystyy osittain. Lämpötila ei

nouse kovinkaan paljon, sillä valtaosa energiasta menee veden höyrystämiseen. Kiehu-

va vesi nousee takaisin putkia ylös lieriöön, jossa höyrystynyt höyry erottuu vedestä.

5) Lieriössä eroteltu vesi jatkaa kiertoa takaisin höyrystimeen ja kehittynyt höyry johde-

taan tulistimille. Höyry on tässä vaiheessa faasitasapainossa veden kanssa eli se on kyl-

läistä höyryä.

10 (10)

6) Tulistimissa höyryn lämpötilaa nostetaan korottamatta sen painetta, näin höyrystä

saadaan enemmän sähköenergiaa, kuin vastaavan paineisesta kylläisestä höyrystä.

1.2 Höyryvoimalaitosten toimintaperiaate

Voimalaitoksella käsitetään yleensä teollisuuden mittakaavassa olevaa sähkön tuotanto-

laitosta. Yleisin konstruktio on, että väliainetta kuumennetaan ja paineistetaan, minkä

jälkeen väliaine ajetaan turbiiniin. Turbiini pyörii ja pyörittää generaattoria, mikä luo

sähkövirran. Yleisin voimalaitoksen konstruktio on höyrykattilavoimalaitos.

1.2.1 Lauhdevoimalaitos

Höyrykattilavoimalaitoksissa höyrystetään paineistettua vettä, joka myös lähes poikke-

uksetta tulistetaan. Tulistettu höyry ohjataan turbiiniin, jossa höyryn paine- ja lämpö-

energia muutetaan turbiinin pyörimisenergiaksi. Turbiini pyörittää generaattoria, mikä

luo sähkövirran. käytetyn polttoaineen mukaan höyryvoimalaitokset voidaan luokitella

ydin-, hiili-, turve- ja maakaasuvoimalaitoksiin.

(Voimalaitos 2009)

Tavallisella lauhdevoimalaitoksella tarkoitetaan fossiilisia polttoaineita käyttäviä lauh-

devoimalaitoksia, poislukien ydinvoimalaitos. Lauhdelaitoksen toiminta perustuu veden

ja vesihöyryn kiertoprosessiin, kuten myös vastapainevoimalan toiminta.

11 (11)

Kuvio 2: lauhdelaitoksen rakenne (Elovaara & Laiho 1988.)

Yllä olevan kuvion (2) mukaisesti pumpuilla paineistettu syöttövesi syötetään höyrykat-

tilaan. Kattilassa höyrystetty ja tulistettu korkeapaineinen vesihöyry johdetaan turbii-

niin. Turbiinissa vesihöyry pääsee paisumaan ja jäähtymään lauhduttimessa vallitsevaan

paineeseen ja lämpötilaan. Näin osa höyryn lämpöenergiasta voidaan muuntaa turbiinia

pyörittäväksi mekaaniseksi energiaksi. Turbiini pyörittää generaattoria, joka muuntaa

pyörimisenergian sähköenergiaksi. Lauhdutin muuttaa vesihöyryn takaisin vedeksi, joka

pumpataan takaisin syöttövesisäiliöön. Vapautuva lämpö siirretään matalalla lämpötila-

tasolla takaisin ympäristöön, yleensä lauhdutinta jäähdyttävään veteen. Lauhdutusvoi-

malaitokset on suunniteltu toimimaan peruskuormalaitoksina, minkä takia on suotavaa,

että niiden sähköntuotannon hyötysuhde on mahdollisimman hyvä. Hyötysuhdetta voi-

daan parantaa

- nostamalla tuorehöyryn painetta

- laskemalla lauhdutinpainetta

- syöttöveden turbiinien väliottohöyryllä tapahtuvalla esilämmityksellä

- komponenttien hyötysuhteita parantamalla.

Vaikka lauhdutusvoimalaitos toimisi lähes optimaalisella tasolla, voidaan hyötysuhde

saada enimmillään noin 44 %:n tasolle. Tämä johtuu siitä syystä, että vain osa polttoai-

neeseen sitoutuneesta kemiallisesta energiasta saadaan muunnettua sähköksi. Seuraava-

na on kuvio (3) Vuosaaren B laitoksen höyryturbiinista.

(Vuosaaren voimalaitosten yleisesittely 2009)

12 (12)

Kuvio 3: Helsingin Vuosaaren B-laitoksen höyryturbiini (Vuosaaren voimalaitosten

yleisesittely 2009)

1.2.2 Vastapainevoimalaitos

Vastapainevoimalaitoksen turbiinin läpi virrannut höyry johdetaan kulutuskohteisiinsa

ja yleensä vain osa palautetaan lauhteena takaisin voimalaitokseen. Vastapainevoimalai-

toksen edullisuus perustuu siihen, että höyryä lämmitykseen tuottavan kattilalaitoksen

yhteyteen voidaan suhteellisen pienin lisäkustannuksin rakentaa sähkövoimala. Teolli-

suuden vastapainevoimalaitokset mitoitetaan höyryntarpeen mukaan ja sähkö on sivu-

tuote. Vastapainevoimalaitoksissa käytetään yleensä polttoaineena teollisuudessa synty-

neitä jätteitä, kuten mustalipeää. (Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 2000, 13)

1.2.3 Kaasuturbiinivoimalaitos

Ensimmäinen kaasuturbiini otettiin käyttöön 1971, josta nykyiset kaasuturbiinivoimalai-

tokset ovat kehittyneet huomattavasti. Kaasuturbiinivoimalaitoksessa turbiinia pyörite-

tään kuumilla ja korkeapaineisilla savukaasuilla. Kaasuturbiinissa polttoaine ruiskute-

taan korkealla paineella akselin ympärille ja moottorin keskellä oleviin polttokammioi-

hin. Kompressori puristaa ilmaa noin 10–20 bar:n paineeseen ja pumppaa sen poltto-

13 (13)

kammioihin, jolloin polttoaine palaa korkeassa paineessa ja pakokaasut purkautuvat

taaksepäin turbiinin läpi. Turbiini taas antaa voimaa kompressorille.

Suurin ero kaasuturbiinin ja höyrykattilavoimalaitoksessa käytettävään höyryturbiiniin

näkyy palamisessa. Höyryturbiinissa palaminen tapahtuu kattilassa ja itse turbiini pyörii

välikaasun eli vesihöyryn avulla.

(Bohl 1985, 127.)

Suihkumoottori ja kaasuturbiini eivät eroa kovin paljon toisistaan. Erona on, että kaasu-

turbiineista halutaan maksimaalinen akseliteho, kun taas suihkumoottorista maksimaali-

nen työntövoima.

(Kaasuturbiinivoimalaitos 2009)

14 (14)

Kuvio 4: Helsingin Vuosaaren B-laitoksen kaasuturbiini (Vuosaaren voimalaitosten

yleisesittely 2009)

Polttokammioissa vapautettavasta energiasta poistuu savukaasujen mukana 65 % savu-

kaasuhäviöinä. Vapautuva energia käytetään turbiinini kanssa samalle akselille sijoite-

tun kompressorin ja generaattorin pyörittämiseen, jonka takia sähköntuotannon hyö-

tysuhde on enimmilläänkin 35 %. Kaasuturbiinivoimalaitosten etuna on kuitenkin nii-

den sekä nopea että tehokas säädettävyys. Kaasuturbiini voidaan käynnistää ja pysäyttää

lyhyessä ajassa ja tämän takia sillä voidaan säätää nopeasti voimalaitoksen tuotantoa

vastaamaan sähköntarvetta. (Kaasuturbiinilaitos 2009)

15 (15)

1.2.4 Kombivoimalaitos

Kaasuturbiinivoimalaitos voidaan yhdistää lämmöntalteenottokattilaan. Tällöin poistu-

vista kuumista (400 - 500 °C) savukaasuista saadaan otettua lämpöenergiaa esimerkiksi

kaukolämpöveteen. Yhdistämällä kaasuturbiinilaitos lämmöntalteenottokattilaan saa-

daan kokonaishyötysuhde nousemaan jopa 90 %:iin. Kaasuturbiinilaitos voidaan yhdis-

tää myös höyrykattilavoimalaitokseen, jolloin tätä kompleksia kutsutaan kombivoima-

laitokseksi. Kombivoimalaitoksella sähköntuotannon hyötysuhde nousee jo 60 %:iin.

Kokonaishyötysuhde vastapainetuotannossa nousee 90 %:iin, kun lauhdetuotannossa se

on sama kuin sähköntuotannonhyötysuhde. (Huhtinen ym. 2000, 17 - 18.)

Kuvio 5: Kombilaitoksen toimintaperiaate. (Vuosaaren voimalaitosten yleisesittely

2009)

Edellisestä kuviosta (5) näkyy kombilaitoksen toimintaperiaate. Vasemmalla alhaalla

olevasta kaasuturbiinista saadaan suoraan sähköä. Höyryturbiinista tulevat kuumat sa-

vukaasut käytetään höyrystämään höyryä höyryturbiinille, josta taas saadaan lisää säh-

köä. Höyryturbiinin lauhdelämmöt voidaan taasen käyttää kaukolämpönä.

16 (16)

1.3 Voimalaitosten energialähteet Suomessa

Fossiiliset energialähteet muodistivat noin 55 % Suomen energiakulutuksesta vuonna

2007. Edelleen Suomen tärkeimpänä energialähteenä on öljy. Seuraavana tulevat bio-

energia (20 %), ydinvoima (17 %) ja kivihiili (13 %). Öljyn käytön osuus on laskenut

25 %:iin energiantarpeesta.

Vuonna 2013 Olkiluodon kolmas yksikkö valmistunee ja ydinenergiasta tulee tärkein

energianlähde Suomessa. Ydinvoiman primäärienergia nousee tällöin yli 100 TWh:n

tasolle. Myös bioenergian käyttö kasvaa vauhdilla, ja sen odotetaankin ohittavan öljyn

käytön jo vuoteen 2020 mennessä.

Maailman energiankulutuksesta fossiilisten polttoaineiden osuus on noin 78 %. Öljyn

osuus on noin 31 %, hiilen osuus noin 25 % ja maakaasun osuus noin 21 % markkinois-

ta. Fossiiliset polttoaineet säilyvät siis vielä pitkään tärkeimpinä energianlähteinä maa-

ilmassa.

Ei-fossiilisista energialähteistä tärkein on bioenergia, jonka osuus maailman primää-

rienergiasta on 11 %. Vesivoiman ja ydinvoiman osuus on kuitenkin 6 %, kun taas tuu-

livoiman osuus on häviävän pieni 0,4 %. Seuraavana on taulukko maailman energian-

tuotannosta. Taulukossa sähköntuotannon hyötysuhteeksi on otettu 38 % ydin-, vesi-, ja

tuulivoimalla.

17 (17)

Taulukko 1: Maailman primäärienergianlähteet (Pwh = 1000 TWh) (Vuorinen 2009, 9) Vuosi 1990 1995 2000 2005 2007 Osuus

PWh PWh PWh PWh PWh %Fossiiliset energianlähteet

Öljy 36,6 37,8 41,1 44,6 46,0 31 %Kivihiili 26,0 26,5 27,5 34,1 37,0 25 %Maakaasu 20,9 22,5 25,5 28,8 30,7 21 %Yhteensä 83,4 86,9 94,1 107,5 113,6 78 %Osuus 79 % 77 % 77 % 78 % 78 %

Ei Fossiiliset energianlähteetVesivoima 5,8 6,6 7,1 8,8 8,2 6 %Ydinvoima 6,1 7,0 7,8 8,4 8,3 6 %Tuulivoima 0,1 0,3 0,6 0,4 %Bioenergia 10,8 11,9 13,0 14,0 15,5 11 %Yhteensä 22,6 25,6 28,0 30,5 32,6 22 %Osuus 21 % 23 % 23 % 22 % 22 %

Yhteensä 106,0 112,5 122,1 137,9 146,2 100 %Indeksi 100 % 106 % 115 % 13 % 138 %

18 (18)

2 Höyrykattilat ja vesi-höyrypiirin komponentit

2.1 Luonnonkiertokattila

Luonnonkiertokattila nimitys tulee siitä, että vesi kiertää ikään kuin itsestään putkistos-

sa, ilman erillistä pumppaamista. Luonnonkiertokattilassa veden ja vesihöyryn kierto

lieriöstä höyrystimeen ja takaisin tapahtuu veden ja vesihöyryn tiheyseron avulla. Ve-

denlaskuputki ja tulipesää ympäröivä höyrystinputkisto muodostavat yhtenäisen putkis-

ton. Höyrystinputkistossa osa vedestä muuttuu höyryksi tulipesästä siirtyvän lämmön

vuoksi, tällöin höyrystinputkistossa olevan veden ja vesihöyryn seoksen tiheys on pie-

nempi kuin laskuputkistossa olevan kylläisen veden. Tiheyseroihin perustuen höyrys-

tinputken kevyempi seos nousee ylöspäin ja virtaa takaisin lieriöön samalla, kun lasku-

putkesta virtaa uutta kylläistä vettä tilalle. Ahosen (1978, 35) mukaan staattisen paineen

on voitettava putkiston virtausvastukset sekä kiihtyvyyden vaatima voima. Luonnon-

kiertokattilan toimintaperiaate kuvio 1 katso sivu 9. (Huhtinen ym. 2000, 113.)

2.2 Pakkokiertokattila

Pakkokiertokattilassa vesi kiertää höyrystimessä pumpun avulla. Kuviossa 6 näkyy

pakkokiertokattilan periaate.

19 (19)

Kuvio 6: Pakkokiertokattilan toimintaperiaate

Lieriöstä vesi johdetaan höyrystimeen pakkokiertopumppujen avulla. Höyrystimessä

muodostunut veden ja vesihöyryn seos jatkaa pumppujen muodostaman paineen avulla

takaisin lieriöön. Pakkokiertokattilan lieriö on samanlainen kuin luonnonkiertokattilan.

Syklonilla varustettu lieriö erottelee veden ja vesihöyryn, minkä jälkeen vesi palautuu

kiertoon ja vesihöyry jatkaa matkaansa tulistimille. Pumpun kavitointi saadaan vältettyä

sijoittamalla pumppu tarpeeksi lieriön alapuolelle, jottei kylläinen vesi höyrystyisi

pumpussa. Wessman (haastattelu 28.8.2009) kertoi, että pakkokierron etuna on sen so-

veltuvuus hieman korkeammille paineille kuin luonnonkiertokattila. Höyrystinputkisto

voidaan myös rakentaa lähes miten päin tahansa tarpeen vaatiessa, lisäksi on mahdollis-

ta mitoittaa höyrystinputkisto suuremmille painehäviöille kuin luonnonkiertokattilassa.

Kiertoluvut ovat pakkokiertokattiloissa pienemmät kuin luonnonkiertokattiloissa. Pak-

kokiertokattiloiden kiertoluvut ovat yleensä 3 - 8, tämän takia höyrystinputket voivat

20 (20)

pakkokiertokattilassa olla halkaisijaltaan pienempiä ja hinnaltaan halvempia, kuin luon-

nonkiertokattilassa. Pakkokiertokattilan virtausnopeudet ovat noin 1,5 - 4m/s.

(Huhtinen ym. 2000, 118.)

2.3 Benson-kattila

Benson-kattilan suurin ero pakkokierto- ja luonnonkiertokattilaan verrattuna on lieriön

puuttuminen kokonaan. Vesi kulkee kattilan vesi/höyrypiirin läpi kerralla. Benson-

kattilassa syöttövesipumpulla pakotetaan höyrystettävä vesi kattilan putkiston vaiheiden

läpi ilman kiertoa. Benson-kattila on toiselta nimeltään läpivirtauskattila. Alla olevassa

kuviossa 7 on Benson-kattilan yksinkertaistettu periaatekuvio.

(Ahonen 1978, 21 - 22.)

Kuvio 7: Benson-kattilan yksinkertaistettu kaavio

21 (21)

Kuvion 7 merkintöjen selitykset:

a = esilämmitysosa

b = höyrystys alkaa

c = höyrystys osa

d = tulistin

e = syöttövesipumppu

X – X = kattilan rajat

Benson-kattilan tärkeimmät ominaispiirteet ovat

- kattilan halpa hinta

- korkealuokkaisen vedenkäsittelyn vaatimus

- hyvän automatiikan vaatimus

- suuren pumpputyön vaatimus

- yksinkertainen rakenne ja toiminta

- ajettavuus ylikriittisillä höyrynpaineilla.

Korkealuokkaisen vedenkäsittelyn vaatimus johtuu lieriön puuttumisesta, sillä ilman

lieriötä ulospuhallus, jolla poistetaan kattilakiveä aiheuttavia suoloja sekä muita epä-

puhtauksia, ei ole mahdollista. (Ahonen 1978, 21 - 22.)

2.4 Sulzer-kattila

Sulzer-kattilassa voidaan hieman helpottaa veden laatuvaatimusta verrattuna Benson-

kattilaan. Sulzer-kattilassa vesi- ja höyrypiirin epäpuhtauksia saadaan poistettua niin

kutsutulla suolanpoistopullolla. Seuraavassa kuviossa (8) on Sulzer-kattilan yksinker-

taistettu periaate.

22 (22)

Kuvio 8: Sulzer-kattilan yksinkertaistettu toimintaperiaate

Kuvion 8 merkintöjen selitykset:

a = höyrystinosa

b = suolanpoistopullo

c = tulistin

d = väkevöityneen veden poisto

e = syöttövesipumppu

X – X = kattilan rajat

Sulzer-kattilan suolanpoistopulloa ei voida käyttää ylikriittisillä paineilla, koska silloin

vesifaasia ei synny ollenkaan. Sen käyttö alikriittisillä arvoilla on suuri etu, koska näin

saadaan suojattua tulistinta epäpuhtauksilta. Suolanpoistopullo on myös hyvin käytän-

nöllinen kattilaa käynnistettäessä ja pysäytettäessä.

23 (23)

Sulzer-kattilan tärkeimmät ominaisuudet ovat

- yksinkertainen rakenne ja toiminta

- kuormitusvaihteluiden nopea seuranta ja sopivuus suurillekin tehoille

- suurempi syöttöveden epäpuhtauksien sietokyky kuin Benson-kattilassa

- suuren omakäyttötehon sekä hyvän automatiikan vaatimus

- korkeatasoisen vedenkäsittelyn vaatimus

- pienien kuormien hankala ajettavuus.

Sulzer-kattila ei ole saavuttanut suurta käyttöä teollisuudessa, mutta suurvoimalaitoksis-

sa se on osoittautunut varmaksi höyryn tuottajaksi. (Ahonen 1978, 23 - 24.)

2.5 Höyrystimen toiminnasta

Luonnonkiertokattilan höyrystimen laskuputkessa olevan veden ja höyrystinputkissa

olevan veden ja vesihöyryn seoksen välisellä tiheyserolla aikaansaatavalla paine-erolla

on ylitettävä veden ja vesihöyryn kierrosta johtuva painehäviö. Painehäviö muodostuu

virtausnopeuden muutoksen vaatimasta dynaamisen paineen lisäyksestä sekä putkiston

kitkavastuksesta. Tilannetta kuvaava tasapainoyhtälö (1) voidaan esittää muodossa

Brst ppp Δ+Δ=Δ (1)

jossa

stpΔ = kiertovoima

rpΔ = kitkavastus

BpΔ = kiihtyvyysvastus

Vesihöyryn ja veden kierron aikaansaava kiertovoima stpΔ voidaan laskea kaavalla (2)

)'()( GSFst HHgp σσ −⋅−⋅=Δ (2)

jossa

Gσ = vesi-höyry seoksen keskimääräinen tiheys nousuputkissa

'σ = laskuputkessa olevan kylläisen veden tiheys

24 (24)

SF HH − = korkeusero lieriön vesipinnasta kohtaan, jossa höyrystyminen alkaa

nousuputkissa (kuvio 9).

(Huhtinen, Kettunen, Nurminen & Pakkanen 2000, 114.)

Kuvio 9: Luonnonkiertokattilan höyrystimen malli

Luonnonkiertokattila on edullista rakentaa kapeaksi ja korkeaksi, sillä kiertovoima on

sitä suurempi, mitä korkeampi kattila on.

Vesi on lieriössä kylläisessä lämpötilassa. Kun vedenpaine laskuputkessa nousee hydro-

staattisen paineen vaikutuksesta, vedestä tulee alijäähtynyttä, kun se tulee höyrystinput-

kille. Vesi ei siis ala höyrystyä välittömästi sen saavuttua höyrystinputkiin, vaan sen on

ensin lämmettävä höyrystymislämpötilaan. Korkeus, jossa höyrystyminen alkaa, voi-

daan laskea kaavalla (3)

Uhhh

HH

F

S

⋅Δ−

=''' (3)

25 (25)

jossa

SH = veden höyrystymisen alkamiskorkeus

FH = hydrostaattinen korkeus lieriön pinnasta höyrystymisputken alapäähän

''h = lieriön painetta vastaava kylläisen höyryn entalpia

'h = lieriön painetta vastaava kylläisen veden entalpia

hΔ = höyrystymispaineen kasvusta johtuva alijäähtymistä vastaava entalpiamuutos

U = höyrystinputkessa kiertävän vesivirran suhde höyrystyvään vesivirtaan eli

kiertoluku

(Huhtinen ym. 2000, 115.)

Luonnonkierron takia virtausvastuksien aiheuttaman painehäviön on höyrystimessä ol-

tava vähäinen, tähän päästään käyttämällä tulipesän seinämään asennettuja pystysuoria

höyrystinputkia, joilla on suuri halkaisija. (Veikko Ahonen 1978, 40 - 43.)

2.6 Tulistimet

Tulistin on höyrykattilakomponentti, jonka tarkoitus on kuumentaa höyrystimestä tuleva

höyrystetty vesihöyry energialähteen lämpöenergialla höyrystymislämpötilaa korkeam-

paan lämpötilaan. Mitä kuumempana höyry saadaan johdettua höyryturbiiniin, sitä suu-

rempi liike-energia saavutetaan. Materiaaliteknisistä syistä johtuen tulistuslämpötilat

ovat suurimmillaan noin 550 °C:ssa. Höyry tulistuu tulistimessa siis noin pari sataa as-

tetta ennen kuin se johdetaan turbiiniin.

Höyryturbiinin sähköntuottoa on mahdollista tehostaa välitulistimella. Välitulistus tar-

koittaa turbiinin läpivirranneen höyryn takaisinjohtamista kattilaan, jossa se uudelleen

lämmitetään eli tulistetaan matalammassa paineessa. Välitulistimella saadaan höyryn

lämpötila samalle tasolle kuin tulistimessa. Välitulistimen hankinta kannattaa vasta suu-

remmissa voimalaitoksissa, sillä turbiinin ja kattilan investointikustannukset kasvavat.

26 (26)

Tulistimet sijoitetaan tulipesän yläosaan, jossa savukaasut ovat riittävän kuumia tulis-

tamaan höyryn haluttuun lämpötilaan. Tulistimien kuumennus savukaasuilla on kannat-

tavaa myös sen takia, että putket eivät pääse ylikuumenemaan läheskään yhtä helposti

kuin säteilylämmönsiirtoa käytettäessä. Höyryltä vaaditaan tasalämpöisyyttä, eli stabii-

lia lämpötilaa. Stabiilia lämpötilaa vaaditaan kahdesta syystä: Jos lämpötila laskee, säh-

köntuotanto laskee, jos lämpötila nousee, saattavat tulistinputket ylikuumentua. Tavalli-

sesti lämpötila saa vaihdella noin ±5 °C viimeisen tulistusvaiheen jälkeen. Tulistusläm-

pötilaa voidaan säätää usealla tavalla, esimerkiksi ruiskuttamalla vettä tulistetun höyryn

joukkoon tulistusvaiheiden välissä tai sekoittamalla kolmitieventtiilin avulla tulistetun-

höyryn joukkoon viileämpää höyryä. (Huhtinen ym. 2000, 188 - 189 ja 273 - 275.)

Kuvio 10: Tulistinputkia (Lahtinen 2007, 12)

Tulistimet voidaan jakaa sijoitustapansa mukaan

– säteilytulistimiin

– verhotulistimiin

– konvektiotulistimiin

– yhdistelmätulistimiin.

27 (27)

2.6.1 Säteilytulistin

Säteilytulistin on lähes poikkeuksetta seinätulistin ja se sijaitsee tulipesän yläosassa. Sä-

teilytulistimeen lämpöenergia siirtyy pääosin liekeistä säteilemällä. Tunnusomaista sä-

teilylle on lämmönsiirtyminen ilman kosketusta. Ahonen kirjoittaa (1978, 30), että sätei-

lytulistimissa käytetään suuria höyrynvirtausnopeuksia, jotta lämmönsiirtoputkisto ei

pääse ylikuumenemaan. Putkiston jäähdytys on tärkeää, koska lämpö siirtyy säteilynä ja

sitä saattaa virrata tulistimeen hyvinkin nopeasti. Säteilytulistimen materiaalin lämpötila

on noin 60 °C kuumempi kuin siinä virtaavan höyryn lämpötila. (Huhtinen ym. 2000,

189.)

2.6.2 Konvektiotulistin

Yleisin höyrykattiloissa käytetty tulistin on konvektio- eli kosketustulistin. Konvektio

tarkoittaa aineen mukana kulkemista eli lämpö kulkee savukaasujen mukana. Konvek-

tiotulistimen materiaalin lämpötila on säteilytulistimen materiaalia alhaisempi ja noin

10-40 °C korkeampi kuin virtaavan höyryn lämpötila. . (Ahonen 1978, 27)

Konvektiotulistimia on valmistettu kahdenlaisia, pysty- ja vaakaputkitulistimia. Vaaka-

putkitulistimet on suunniteltu vesitettäviksi ja niitä käytetään varsinkin suurten kattiloi-

den primääriosissa. Vaakaputkitulistin suojataan ylikuumenemiselta varovaisella läm-

mityksellä kattilan ylösajon aikana ja höyryn ulospuhallus tulistimien jälkeisen käynnis-

tysventtiilin kautta. (Huhtinen ym. 2000, 190 - 191)

28 (28)

2.6.3 Yhdistelmätulistin

Yhdistelmätulistimella tarkoitetaan tulistinta, josta osa toimii säteilytulistimena ja osa

konvektiotulistimena. Tulistin on jaettu siten, että pidemmät tulistimenputket ovat suo-

raan kosketuksessa liekkien kanssa, jolloin lämpö siirtyy enimmäkseen säteilemällä,

kun taas lyhyemmät tulistimenputket koskevat ainoastaan savukaasuihin, jolloin lämpö

siirtyy konvektion avulla. Schotten-tulistimessa tulistimenputket riippuvat erittäin ti-

heänä putkiseinämänä noin 0,5cm - 1,0cm etäisyydellä toisistaan, jolloin uloimmat tu-

listimenputket joutuvat suoraan kosketukseen liekkien kanssa, kun sisemmät tulistimen-

putket koskevat yksinomaan savukaasuihin. . (Huhtinen ym. 2000, 190 - 191)

2.6.4 Tulistimien rakenne

Kattilan tulistin koostuu ryhmästä erilaisia tulistimia ja tulistimet koostuvat useista put-

kielementeistä, jotka lähtevät jakokammioista. Periaatteessa voidaan sanoa, että tulis-

tinyksikkö on nippu teräsputkia, jotka roikkuvat tulipesän katosta. Tulistimet ripustetaan

nykyisin tulipesän ulkopuolelta, koska tämä tapa on huomattavasti kestävämpi kuin tu-

lipesän sisäpuolelle kannattimien avulla ripustaminen. Kannatinputkiin hitsataan kiin-

nikkeet, joiden avulla putki yläpäästään tuetaan muuhun kattilarakenteeseen. Seuraava-

na olevassa kuviossa on putkien vanha ja uusi ripustustapa. . (Huhtinen ym. 2000, 190 -

191)

29 (29)

Kuvio 11: Tulistimien vanha kannatus ja uusi ripustus tekniikka . (Huhtinen ym. 2000,

192)

2.7 Tuloveden esilämmitin (EKO, Ekonomaiser)

EKOn eli syöttöveden esilämmittimen avulla lämmitetään vettä lähemmäksi höyrysty-

mislämpötilaa. Tavanomainen syöttöveden lämpötila keskikokoisissa ja pienissä katti-

loissa on noin 100 - 200 °C. Lämmön lähteenä käytetään savukaasuja. EKO sijoitetaan

tulistimien jälkeen savukaasujen virtaussuuntaan nähden. EKO parantaa laitoksen hyö-

tysuhdetta ottamalla savukaasuissa jäljellä olevaa lämpöenergiaa hyötykäyttöön. Tulis-

timien jälkeen savukaasut ovat noin 600 - 800 °C, mikäli savukaasuja ei saataisi tämän

enempää jäähdytettyä, jäisi kattilan hyötysuhde verrattain heikoksi. EKO:n avulla saa-

daan savukaasut jäähtymään lähelle syöttöveden tulolämpötilaa. Rivoituksella lisätään

pinta-alaa, jonka kautta lämpö pääsee siirtymään savukaasuista tuloveteen. Kuviossa 12

on esitetty neljä rivoitettua veden esilämmitinputkea. (Çengel 1998, 178)

30 (30)

Kuvio 12: Neljä syöttöveden esilämmitinputkea (Lahtinen 2007, 11)

Segmentoitu spiraaliripaputki on nykyisin yleisin malli. Valurautaisessa kompoundput-

kessa on sisäpuolella painekestävää teräsputkea ja ulkopuolella valurauta rivoitus. Valu-

rautarivoitus siirtää lämpöä paremmin savukaasuista syöttöveteen. Teräsrivoitetun put-

ken rikkihapposyöpyminen on voimakkaampaa kuin valurautaisen. Seuraavassa kuvios-

sa on hiiliteräksestä valmistettuja rivoittamattomia vedenlämmitysputkia. Vesi virtaa

useassa rinnakkaisessa putkessa esilämmittimen lävitse. Keskelle on jätetty tila nuo-

hoimelle. (Veikko Ahonen 1978, 66.)

31 (31)

Kuvio 13: Syöttöveden rivoittamattomat esilämmitysputket (Lahtinen 2007, 11)

2.8 Tuloilman esilämmitin (LUVO, Luftvorwärmer)

Ilmanesilämmittimellä eli palamisilmanesilämmittimellä kuivataan polttoaineesta kos-

teutta, tehostetaan polttoaineen syttymistä sekä nopeutetaan palamista. Palamisilma on

yleensä 100 - 400 °C:n välillä. Palamisilman esilämmitys on erityisen tärkeää, kun pol-

tetaan esimerkiksi kivihiiltä, turvetta tai muita heterogeenisiä polttoaineita. Palamisil-

man esilämmityksen merkitys korostuu kosteuden ja heterogeenisyyden kasvaessa.

LUVO sijoitetaan viimeiseksi lämmönsiirtimeksi kattilassa. (Huhtinen ym. 2000, 196 -

197)

32 (32)

3 Polttolaitteet

3.1 Poltinpoltto

Polttolaitteen ajatuksena on saada polttoaine palamaan, jolloin polttoaineeseen sitoutu-

nut kemiallinen energia saadaan vapautettua lämmöksi. Palamisen hyötysuhteen täytyy

olla hyvä eli polttoaineen pitää palaa mahdollisimman täydellisesti niin, että ilmayli-

määrä jää mahdollisimman vähäiseksi. Palamisen täytyy olla tasaista ja palamista tulee

voida säätää tarpeen mukaan. Eri polttolaitteita on kehitetty erilaisiin tarkoituksiin. Näi-

tä ovat

- nestemäisille, kaasumaisille ja kiinteästä polttoaineesta valmistetulle pölylle so-

veltuvat erilaiset polttimet

- kiinteille polttoaineille soveltuvat erityyppiset arinat

- kiinteille polttoaineille soveltuvat erityyppiset leijukerrosratkaisut.

Tulipesällä tarkoitetaan kattilan liekkiä sekä liekkejä ympäröivää kattilan osaa. Tulipe-

sän seinämissä on tulipesää jäähdyttävä putkisto, jonne osa tulipesän tuottamasta läm-

möstä siirtyy. Loput tulipesän tuottamasta lämmöstä siirtyy kuumien savukaasujen mu-

kana kattilan muihin osiin, useimmiten ensimmäiseksi tulistimiin.

Polttolaitteiden ja tulipesän hyvä yhteen sovittaminen on tärkeä kattilan suunnitteluun

liittyvä tehtävä, tärkeää on myös saavuttaa paras mahdollinen palamistulos. Käytännös-

sä tämä tarkoittaa sitä, että polttolaitteessa muodostuvan liekin tulee mahtua hyvin tuli-

pesään. Lisäksi poltinpoltossa tulipesän tulee olla riittävän suuri, jotta savukaasujen ja

samalla myös syötetyn polttoaineen viipymäaika tulipesässä on palamisaikaa suurempi.

Tilavuusrasitteella voidaan kuvata tulipesän kokoa. Tilavuusrasite saadaan jakamalla

kattilaan tuotu polttoaineteho tulipesän tilavuudella. Tilavuusrasituksen arvot vaihtele-

vat suuresti riippuen kattilatyypistä ja polttoaineesta. Tyypillisesti arvot liikkuvat alu-

eella 50-7000 3mkW . Suomessa käytössä olevissa voimalaitoskattiloissa arvot liikkuvat

33 (33)

alueella 100-500 3mkW . Tilavuusrasitus kuvaa nimenomaan savukaasujen viiveaikaa tuli-

pesässä.

Savukaasujen virtausnopeutta tulipesässä kuvataan tulipesän poikkipintarasituksella.

Poikkipintarasitus saadaan kun jaetaan polttoaineteho kattilan virtauspoikkipinta-alalla.

Polttoaineteholla tarkoitetaan polttoainevirran ja polttoaineen lämpöarvon tuloa (poltto-

ainevirta · tehollinen lämpöarvo).

Lämmönsiirron tehokkuutta tulipesässä voidaan tarkastella tulipinnan lämpökuormitus-

luvulla. Se saadaan jakamalla lämmönsiirtopinnan läpi siirtyvä lämpöteho lämmönsiir-

topinta-alalla. Tämä tunnusluku on yleensä alueella 50-200 2mkW . (Huhtinen ym. 2000,

126)

3.1.1 Öljypoltto

Öljyä käytetään erittäin useissa sovellutuksissa, näitä voidaan jakaa esimerkiksi energi-

antuotantoon, liikenteeseen sekä teollisuuden käyttöön. Useimmat nestemäiset hiilive-

dyt ovat raakaöljyn tisleitä. Öljyä voidaan polttaa erilaisissa kattiloissa, turbiineissa ja

moottoreissa. (Çengel & Boles 2002, 702)

Tavallinen öljyjen jako tapahtuu niiden käyttöominaisuuksien mukaan kevyisiin ja ras-

kaisiin polttoöljyihin. Kevyet polttoöljyt ovat helposti juoksevia ja palavia tisleitä, joi-

den polttaminen on yksinkertaista eikä vaadi kalliita laitteita. Kevyet polttoöljyt ovat

niin sanottuja keskitisleitä, joita saadaan kun tislauslämpötila on 180 °C:n ja 360 °C:n

välissä. Raskaat polttoöljyt ovat jo huoneenlämmössä liian jäykkiä käsiteltäviksi, joten

niiden juoksevuus on varmistettava riittävällä lämmityksellä sekä kierrätyksellä. Ras-

kaan polttoöljyn laadun valintakriteereihin vaikuttaa laitoskoko ja käytössä olevan ai-

neen lämpötilataso. Kevyet laadut sopivat yleensä pienemmille lämpökeskuksille, kun

taas jäykimmät laadut sopivat suuriin laitoksiin (Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-

Suonio 2002, 439)

34 (34)

Öljy siirretään esilämmittimistä tulipesään polttimen kautta. Polttimen pääosat ovat

sumutin, ilmarekisteri sekä apulaitteet. Normaalisti pääosat on rakennettu yhteen, jol-

loin niitä voidaan tarkastella erillisinä osina, koska tarpeesta riippuen osat voidaan yh-

distellä mielivaltaisesti. Polttimille johdetaan palamisessa tarvittava ilma yleensä sopi-

vaan lämpötilaan esilämmitettynä. Polttimelle johdettavan öljyn yleinen mittauspaikka

on heti esilämmittimen jälkeen. Tämän mittasuureen avulla voidaan myös säätää poltti-

mille johdettavan ilman määrää. Öljyn painetta, lämpötilaa ja viskositeettiä voidaan

myös seurata. (Ahonen 1978, 118.)

3.1.2 Kaasunpoltto

Yleisimmät poltettavat kaasut ovat maakaasu, nestekaasu ja kaupunkikaasu. Lisäksi te-

ollisuudessa syntyy prosesseissa muitakin poltettavia kaasuja. Muita kaasuja, joita voi-

daan hyödyntää, ovat erilaiset biokaasut sekä kaatopaikkakaasut. Kaasujen etuja verrat-

tuna kiinteisiin tai nestemäisiin polttoaineisiin ovat

- helppo palamisen valvonta

- laaja säätöalue

- pienet päästöt

- hyvä palamisen hyötysuhde.

Maakaasulle ja nestekaasulle suunnitellut polttimet jaetaan yleensä kahteen peruspoltin-

tyyppiin polttokaasun ja palamisilman sekoitussuhteiden perusteella: atmosfääripoltti-

met ja puhallinpolttimet.

Atmosfääripolttimessa palamiseen tarvittava ilma imetään polttimen ympäristöstä polt-

tokaasun virtauksen ja kattilan vedon aiheuttaman virtauksen avulla. Atmosfääripoltin

on yleinen kotitalouksissa ja sitä käytetään myös pienehköissä teollisissa kohteissa.

Puhallinpolttimessa palamisilma sekoitetaan polttokaasuun puhaltimen avulla. Puhal-

timen ansiosta tulipesään saadaan helpommin haluttu painetaso ja sopivat virtausolosuh-

35 (35)

teet. Kun painetaso ja virtausolosuhteet ovat hyvät, on palaminen ja lämmönsiirto teho-

kasta hyvän sekoittuvuuden takia.

Puhallinpoltin on monimutkaisempi ja kalliimpi kuin atmosfääripoltin, mutta sitä käy-

tettäessä saadaan kattilan hyötysuhde paremmaksi. Tästä syystä lähes kaikki teollisuu-

dessa käytettävät polttimet ovat puhallinpolttimia (Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-

Suonio 2002, 449 - 451)

3.1.3 Kiinteän polttoaineen poltinpoltto

Kiinteillä polttoaineilla tarkoitetaan hiiltä, turvetta ja puuta. Pölypoltossa polttoaine syö-

tetään hienoksi jauhettuna polttimen kautta tulipesään, jossa se palaa hyvin nopeasti.

Kiinteä polttoaine on jauhettava tarpeeksi hienoksi, jotta se ehtii palaa tulipesässä vii-

pymänään aikana. Lisäksi kostea polttoaine on kuivattava ensin, kuten esimerkiksi jyr-

sinturve. Pölypoltto sopii teoriassa kaiken kokoisille kattiloille, mutta polttoaineiden

käsittelylaitteiden tarpeen takia pölypoltto on kannattavaa vasta, kun kattilateho on suu-

ri. Pölypolttimessa tulee saada aikaan stabiili, mahdollisimman täydellinen palaminen,

jotta ilmaylimäärä ja päästöt saadaan mahdollisimman vähäisiksi. Nykyään Suomessa-

kin on käytössä niin sanottu low-nox poltin joka pienentää typpioksidipäästöjä huomat-

tavasti.

Tuhka jota on hiilessä noin 10 % ja turpeessa n. 5 %, voidaan poistaa kahdella tavalla,

joko kiinteänä tai sulana. Tulipesää kutsutaan tämän mukaan kuivapesäksi tai sula-

pesäksi. Kuivapesän tuhkan erotus tapahtuu pääasiallisesti sähkösuodattimen avulla

(noin 75 - 85 %). Kattilan pohjan kautta poistetaan kuivaa kuonaa sammutusaltaan ja

laahakuljettimen avulla (10 - 15 %).

Sulapesäkattilassa lämpötilaa pidetään niin korkeana, että tuhka pysyy sulana. Näin

saadaan suurin osa sulasta tuhkasta poistettua suoraan tulipesästä. Sulapesäkattiloita on

käytössä lähinnä Keski-Euroopassa. Suomeen on jyrsinturpeen polttoa varten rakennettu

36 (36)

muutamia syklonimallisia alle 15MW:n sulapesäkattiloita. (Huhtinen ym. 2000, 144 -

145)

3.2 Arinapoltto

Arinalla tarkoitetaan kattilan pohjalle sijoitettavaa polttolaitetta, jonka päällä kiinteä

polttoaine palaa joko paikallaan tai hitaasti liikkuvana kerroksena. Hyvin toimivia arina-

ratkaisuja on olemassa varsinkin hiilelle, puulle ja puujätteelle. Arinoita ei voida käyttää

teollisuuden jäteliemille, niiden sisältämän suuren tuhkapitoisuuden vuoksi. Raikon ym.

(2002, 473) mukaan nykyään arinoita rakennetaan lähinnä alle 10MW käyttötehoja var-

ten sekä suuriin jyrsinturpeen pölypolttokattiloiden jälkipolttoarinoiksi. Arinan rakentei-

ta on useita erilaisia. Arinaraudat ovat usein valurautaa, jonka lämmönkestävyyttä voi-

daan lisätä kromiseostuksella. (Huhtinen 2000, 146 - 147)

3.2.1 Kiinteä tasoarina

Kiinteä tasoarina on ratkaisultaan yksinkertaisin. Tavallisesti tasoarinat koostuvat kan-

natuspalkkien varaan ladotuista arinasauvoista. Tasoarinoita käytetään pienissä katti-

loissa, joihin polttoaine syötetään käsin. (Huhtinen 2000, 147)

3.2.2 Kiinteä viisto- tai porrasarina

Polttoaine saadaan kulkemaan painovoiman avulla, kun arina sijoitetaan 30°-50° kul-

maan. Viistoarinan jälkeen on usein jalka-arinaksi nimetty tasoarina, jolla saadaan polt-

toaineen loppuun palaminen varmistettua. Viistoarina on ollut yleinen teollisuudessa

puun ja puujätteen poltossa. Porrasarinalla tarkoitetaan viistoarinaa, jonka arinaraudat

on sijoitettu porrasmaisesti toistensa päälle, tällöin ilma johdetaan arinarautojen välistä

vaakasuoraan suuntaan. Viistoarinan polttoaineelle ei tarvitse asettaa laatuvaatimuksia

37 (37)

ja kosteuden yläraja on noin 60%. Viistoarina voidaan myös mekanisoida, jolloin polt-

toaine liikkuu arinassa arinarautojen tärinän tai liikkeen vaikutuksesta. Ahosen (1978,

110) mukaan mekaanista viistoarinaa käytetäänkin lähinnä huonohkolaatuisten polttoai-

neiden polttamiseen, kuten esimerkiksi kostean puun tai turpeen. (Huhtinen 2000, 150 -

151)

3.2.3 Alasyöttöarina

Kuten alasyöttöarinan nimikin kertoo, polttoaineen syöttö tapahtuu arinan pohjasta kä-

sin. Polttoaine siirtyy tulipesän keskelle ruuvikuljettimen avulla. Palamisilma on esi-

lämmitettyä ja se tuodaan arinaan arinan alta rengasmaisia kanavia pitkin. Tätä kautta

tuotua ilmaa sanotaan primääri-ilmaksi. Sekundääri-ilma voidaan tuoda kattilaan tan-

gentiaalisesti, jolloin polttoa voidaan kutsua myös syklonipoltoksi. Seuraavana on ha-

vainnollistava periaatekuva (kuvio 14) alasyöttöarinasta. (Huhtinen 2000, 147)

38 (38)

Kuvio 14: Alasyöttöarinan periaatekuva

3.2.4 Mekaaninen ketjuarina

Mekaaninen ketjuarina on liikkuva tasoarina. Ketjuarina on alun perin kehitetty kivihii-

len polttoa varten, mutta myöhemmin sen käyttö on laajentunut lähes kaikkiin kiintei-

siin polttoaineisiin. Mekaaninen ketjuarina on sarja tasoarinoita, jotka liitetty toisiinsa

päättymättömäksi matoksi, joka liikkuu kahden telan välillä. Matto liikkuu hitaasti noin

3-30m/h nopeudella.

39 (39)

Kuvio 15: Mekaanisen ketjuarinan periaatekuva.

Kuvion 15 merkkien selitykset:

a = polttoaineensyöttö

b = kerroskorkeuden säätö

c = ilmakammio

d = sekundääri-ilma

e = kuonamurskain

f = kuonan sammutin

Ketjuarinan polttotehon säätö tapahtuu joko polttoainekerroksen korkeutta säätämällä,

arinan nopeutta säätämällä tai palamisilman määräsäädöllä. (Huhtinen 2000, 150)

3.2.5 Valssiarina

Valssiarina muodostuu sylinterinmuotoisista pyörivistä valsseista. Primääri-ilma tuo-

daan valssiin, josta se siirtyy arinarautojen lävitse polttoaineeseen. Valssien avulla saa-

40 (40)

daan polttoaine sekoittumaan tehokkaasti. Tehokasta sekoitusta tarvitaan erityisesti pol-

tettaessa erityisen huonolaatuista ja heterogeenistä polttoainetta, kuten yhdyskuntajätet-

tä. (Huhtinen 2000, 151)

3.3 Leijukerrospoltto

Leijukerrospoltto mahdollistaa eri polttoaineiden polton samassa kattilassa hyvällä pa-

lamishyötysuhteella, vaikka polttoaineet olisivat huonolaatuisia. Leijukerrospolton pa-

lamislämpötilat ovat alhaiset, jolloin myös typenoksidipäästöt jäävät pieniksi. Syöttä-

mällä kalkkia suoraan tulipesään, saadaan savukaasujen rikinpuhdistus suoritettua edul-

lisesti. Leijutustapoja on kaksi, leijupeti ja kiertopeti. Mikäli ilman leijutusnopeus on

suurempi kuin hiekkapartikkelien lentoonlähtönopeus, lähtevät hiukkaset kulkemaan

leijutusväliaineen mukana. Tätä ominaisuutta hyödynnetään kiertopetipolttoratkaisussa.

Leijupetikattilan hiekan raekoko on 1mm-3mm ja leijutus nopeus 0,7m/s–2m/s. Hiek-

kakerroksen korkeus on alle metri. Kiertopetikattiloissa käytetään hienojakoisempaa

petimateriaalia ja kiertopetikattiloiden leijutusnopeus on 3m/s – 10m/s ja hiekan raeko-

ko on 0,1mm - 0,5mm. (Huhtinen 2000, 153 - 159)

41 (41)

Kuvio 16: Periaatekuva leijupetistä

Yllä olevasta kuvassa ilma syötetään alhaalta leijukerrokseen sopivalla nopeudella, jol-

loin petikerros alkaa leijua, mutta ei lähde lentoon savukaasujen mukana.

Kuvio 17: Periaatekuva Kiertopetistä

42 (42)

Kiertopetin pintaa ei ole havaittavissa ja petimateriaali kiertää leijutuskaasun mukana.

Savukaasujen mukana kulkevat hiukkaset ja mahdollinen polttoaine erotetaan syklonis-

sa savukaasuista ja palautetaan takaisin tulipesään. (Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kur-

ki-Suonio 2002, 492)

43 (43)

Lähteet

Ahonen, Veikko 1978. Höyrytekniikka II, Otakustantamo Bohl, Willi 1985, Strömungsmaschinen, Vogel-Buchverlag Çengel, Yunus 1998, Heat Transfer: A practical approach. The McGraw-Hill Companies Inc. Çengel, Yunus, Boles, Michael 2002, Thermodynamics: An engineer approach, fourth edition, The McGraw-Hill Companies Inc. Elovaara, Jarmo. & Laiho, Yrjö, 1988. Sähkölaitostekniikan perusteet, Otatieto Huhtinen, Markku, Kettunen, Arto, Nurminen, Pasi, Pakkanen, Heikki 2000. Höyrykattilatekniikka. Helsinki: Oy Edita Ab Kaasuturbiinivoimalaitos 2009 [online] [viitattu 10.09.2009] http://fi.wikipedia.org/wiki/Kaasuturbiinivoimalaitos Lahtinen, Onni 2007. Membraaniseinän ohituspiirustusten ohjeistus. Tutkintotyö. Tampereen ammattikorkeakoulu Kone- ja tuotantotekniikka. Tampere. Raiko, Risto, Saastamoinen, Jaakko, Hupa, Mikko, Kurki-Suonio, Ilmari 2002, Poltto ja Palaminen, Teknillistieteelliset akatemiat Voimalaitos 2009. [online] [viitattu 08.09.2009]. http://fi.wikipedia.org/wiki/Voimalaitos Vuorinen, Asko 2009. Energian käyttäjän käsikirja, Espoo: Ekoenergo Oy Vuosaaren voimalaitosten yleisesittely diasarja 2009. Helsingin Energia Wessman Kari Tampereen sähkölaitos Haastattelu: 28.8.2009 Tampere

44 (44)

Liitteet paperiversio oppimateriaaliksi tarkoitetusta power point diaesityksestä

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU 2009 www.tamk.fi University of Applied Sciences

Höyrykattila ja sen toiminta voimalaitoksen osana

Jere Timonen


Diasarjan rakenne

Aihe on jaettu kolmeen osaanOsa 1 VoimalaitosprosessiOsa 2 Höyrykattilat ja vesi-höyrypiirin

komponentitOsa 3 Polttolaitteet


Osa 1 Voimalaitosprosessi

• Höyrykattilan toimintaperiaate• Voimalaitoksista• Kaasulaitoksen toimintaperiaate• Primäärienergian lähteistä


Voimalaitosten toimintaperiaate• Voimalaitoksella käsitetään yleensä teollisuuden

mittakaavassa olevaa sähkön tuotantolaitosta.

• Yleisin konstruktio on, että väliainetta kuumennetaan ja paineistetaan, jonka jälkeen väliaine ajetaan turbiiniin.

• Turbiini pyörii ja pyörittää generaattoria, joka luo sähkövirran. Yleisin voimalaitoksen konstruktio on höyrykattilavoimalaitos.


• Yllä olevan kuvion mukaisesti pumpuilla paineistettu syöttövesi syötetään höyrykattilaan. Kattilassa höyrystetty ja tulistettu korkeapaineinen vesihöyry johdetaan turbiiniin. Turbiinissa vesihöyry pääsee paisumaan ja jäähtymään lauhduttimessa vallitsevaan paineeseen ja lämpötilaan…


• …ja näin osa höyryn lämpöenergiasta voidaan muuntaa turbiinia pyörittäväksi mekaaniseksi energiaksi. Turbiini pyörittää generaattoria, joka muuntaa pyörimisenergian sähköenergiaksi. Lauhdutin muuttaa vesihöyryn takaisin vedeksi, joka pumpataan takaisin syöttövesisäiliöön.


• Helsingin Vuosaaren B-laitoksen höyryturbiini.


Höyrykattilan toimintaperiaate

• Höyrykattilan perusajatus on muuttaa kattilaan syötetty vesi tulistetuksi höyryksi. Nykyaikainen höyrykattila on perusperiaatteeltaan eräänlainen putki, jossa vesi käy läpi erivaiheita. Esimerkkinä voidaan käyttää luonnonkiertokattilaa.


• 1) Ensin syöttöveden paine korotetaan kattilassa vallitsevaan paineeseen syöttövesipumpuilla.

• 2) Syöttövettä lämmitetään syöttöveden esilämmittimessä (Economizer, EKO) ennen kuin se pumpataan lieriöön. Vesi lämmitetään lähelle kiehumispistettä savukaasuilla.


• 3) Esilämmitetty vesi johdetaan lieriöön, jonka tehtävänä on erotella vesi ja höyry. Erottelu tapahtuu veden ja höyryn tiheyseron avulla. Lieriöstä vesi valuu painovoiman avulla laskuputkia pitkin höyrystimeen.

• 4) Höyrystimessä lämpö siirtyy tulipesästä veteen ja se höyrystyy osittain. Lämpötila ei nouse kovinkaan paljon, sillä valtaosa energiasta menee veden höyrystämiseen. Kiehuva vesi nousee takaisin putkia ylös lieriöön, jossa höyrystynyt höyry erottuu vedestä.


• 5) Lieriössä eroteltu vesi jatkaa kiertoa takaisin höyrystimeen ja kehittynyt höyry johdetaan tulistimille. Höyry on tässä vaiheessa faasitasapainossa veden kanssa eli se on kylläistä höyryä.

• 6) Tulistimissa höyryn lämpötilaa nostetaan korottamatta sen painetta, näin höyrystä saadaan enemmän sähköenergiaa, kuin vastaavan paineisesta kylläisestä höyrystä.


Vastapainevoimalaitos

• Vastapainevoimalaitoksen turbiinin läpi virrannut höyry johdetaan kulutuskohteisiinsa ja yleensä vain osa palautetaan lauhteena takaisin voimalaitokseen.

• Teollisuuden vastapainevoimalaitokset mitoitetaan höyryntarpeen mukaan ja sähkö on sivutuote.

• Vastapainevoimalaitoksissa käytetään yleensä polttoaineena teollisuudessa syntyneitä jätteitä, kuten mustalipeää


Kaasuturbiinivoimalaitos

• Kaasuturbiinivoimalaitoksessa turbiinia pyöritetään kuumilla ja korkeapaineisilla savukaasuilla.

• Kaasuturbiinissa polttoaine ruiskutetaan korkealla paineella akselin ympärille ja moottorin keskellä oleviin polttokammioihin.


• Kompressori puristaa ilmaa noin 10–20 bar:n paineeseen ja pumppaa sen polttokammioihin, jolloin polttoaine palaa korkeassa paineessa ja pakokaasut purkautuvat taaksepäin turbiinin läpi. Turbiini taas antaa voimaa kompressorille.

• Suurin ero kaasuturbiinin ja höyrykattilavoimalaitoksessa käytettävään höyryturbiiniin näkyy palamisessa. Höyryturbiinissa palaminen tapahtuu kattilassa ja itse turbiini pyörii välikaasun eli vesihöyryn avulla.



Helsingin Vuosaaren B-laitoksen kaasuturbiini


• Polttokammioissa vapautettavasta energiasta poistuu savukaasujen mukana 65 % savukaasuhäviöinä. Vapautuva energia käytetään turbiinini kanssa samalle akselille sijoitetun kompressorin ja generaattorin pyörittämiseen, jonka takia sähköntuotannon hyötysuhde on enimmilläänkin 35 %.



Kaasuturbiinin etuja• Yhdistämällä kaasuturbiinilaitos lämmöntalteenottokattilaan saadaan

kokonaishyötysuhde nousemaan jopa 90%:in

• Kaasuturbiini voidaan käynnistää ja pysäyttää lyhyessä ajassa ja tämän takia sillä voidaan säätää nopeasti voimalaitoksen tuotantoa vastaamaan sähköntarvetta.

• Kombivoimalaitoksella sähköntuotannon hyötysuhde nousee jo 60 %:in. Kokonaishyötysuhde vastapainetuotannossa nousee 90 %:in


• Kombilaitoksen toimintaperiaate. Vasemmalla alhaalla olevasta kaasuturbiinista saadaan suoraan sähköä. Höyryturbiinista tulevat kuumat savukaasut käytetään höyrystämään höyryä höyryturbiinille, josta taas saadaan lisää sähköä. Höyryturbiinin lauhdelämmöt voidaan taasen käyttää kaukolämpönä.


Voimalaitosten energialähteet Suomessa

• Fossiiliset energialähteet muodistivat noin 55% Suomen energiakulutuksesta vuonna 2007. Edelleen Suomen tärkeimpänä energialähteenä on öljy.


Voimalaitosten energialähteet Suomessa

Öljyn jälkeen seuraavana tulevat:• bioenergia 20%• ydinvoima 17%• kivihiili 13%


Maailman primääri energianlähteet

Maailmalla käytetään edelleen paljon fossiilisia polttoaineita

Vuosi 1990 1995 2000 2005 2007 OsuusPWh PWh PWh PWh PWh %

Fossiiliset energianlähteet Öljy 36,6 37,8 41,1 44,6 46,0 31 %Kivihiili 26,0 26,5 27,5 34,1 37,0 25 %Maakaasu 20,9 22,5 25,5 28,8 30,7 21 %Yhteensä 83,4 86,9 94,1 107,5 113,6 78 %Osuus 79 % 77 % 77 % 78 % 78 %

Ei Fossiiliset energianlähteetVesivoima 5,8 6,6 7,1 8,8 8,2 6 %Ydinvoima 6,1 7,0 7,8 8,4 8,3 6 %Tuulivoima 0,1 0,3 0,6 0,4 %Bioenergia 10,8 11,9 13,0 14,0 15,5 11 %Yhteensä 22,6 25,6 28,0 30,5 32,6 22 %Osuus 21 % 23 % 23 % 22 % 22 %

Yhteensä 106,0 112,5 122,1 137,9 146,2 100 %Indeksi 100 % 106 % 115 % 13 % 138 %


Osa 2 Höyrykattilat ja vesi-höyrypiirin komponentit

• Kattilat (Luonnonkierto-, pakkokierto-, benson-, sulzerkattila)

• Tulistimet (Säteily-, konvektio-, yhdistelmätulistin)

• Tuloveden esilämmitin EKO• Tuloilman esilämmitin LUVO


Luonnonkiertokattila• Luonnonkiertokattilassa veden ja vesihöyryn kierto lieriöstä

höyrystimeen ja takaisin tapahtuu veden ja vesihöyryn tiheyseron avulla

• Höyrystinputkistossa osa vedestä muuttuu höyryksi tulipesästä siirtyvän lämmön vuoksi, jolloin seos nousee takaisin lieriöön


Pakkokiertokattila

• Pakkokiertokattilassa vesi kiertää höyrystimessä pumpun avulla


Pakkokiertokattila

• Pakkokiertokattilan lieriö on samanlainen kuin luonnonkiertokattilan.

• Syklonilla varustettu lieriö erottelee veden ja vesihöyryn, jonka jälkeen vesi palautuu kiertoon ja vesihöyry jatkaa matkaansa tulistimille

• Pakkokierron etuna on sen soveltuvuus hieman korkeammille paineille kuin luonnonkiertokattila

• Höyrystinputkisto voidaan myös rakentaa lähes miten päin tahansa tarpeen vaatiessa, lisäksi on mahdollista mitoittaa höyrystinputkisto suuremmille painehäviöille kuin luonnonkiertokattilassa


Benson-kattila• Benson-kattilan suurin ero pakkokierto- ja luonnonkiertokattilaan

verrattuna on lieriön puuttuminen kokonaan

• Vesi kulkee kattilan vesi/höyrypiirin läpi kerralla

• Benson-kattilassa syöttövesipumpulla pakotetaan höyrystettävä vesi kattilan putkiston vaiheiden läpi ilman kiertoa

• Benson-kattila on toiselta nimeltään läpivirtauskattila

• Benson-kattila vaatii korkealuokkaisen vedenkäsittelyn, mikä johtuu lieriön puuttumisesta, sillä ilman lieriötä ulospuhallus, jolla poistetaan kattilakiveä aiheuttavia suoloja sekä muita epäpuhtauksia, ei ole mahdollista


Benson-kattila

Oikealla yksinkertaistettu Benson-kattilan kaavio

a = esilämmitysosab = höyrystys alkaac = höyrystys osad = tulistine = syöttövesipumppuX – X = kattilan rajat


Benson-kattila

Benson-kattilan tärkeimmät ominaispiirteet:• kattilan halpa hinta• vaatii korkealuokkaisen vedenkäsittelyn • vaatii hyvän automatiikan• kattila tarvitsee suuren pumpputyön• yksinkertainen ja varmistettu sekä rakenne että toiminta• voidaan ajaa ylikriittisillä höyrynpaineilla


Sulzer-kattila

• Sulzer-kattilassa vesi/höyrypiirin epäpuhtauksia saadaan poistettua niin kutsutulla suolanpoistopullolla

• Sulzer-kattilan suolanpoistopulloa ei voida käyttää ylikriittisillä paineilla, koska silloin vesifaasia ei synny ollenkaan

• Sen käyttö alikriittisillä arvoilla on suuri etu, koska näin saadaan suojattua tulistinta epäpuhtauksilta

• Sulzer-kattila ei ole saavuttanut suurta käyttöä teollisuudessa, mutta suurvoimalaitoksissa se on osoittautunut varmaksi höyryn tuottajaksi


Sulzer-kattila

Sulzer-kattilan yksinkertaistettu toimintaperiaatea = höyrystinosab = suolanpoistopulloc = tulistind = väkevöityneen veden poistoe = syöttövesipumppuX – X = kattilan rajat


Sulzer-kattila

Sulzer-kattilan tärkeimmät ominaisuudet ovat:

• yksinkertainen rakenne ja toiminta• seuraa kuormitusvaihteluita nopeasti ja sopii suurillekin tehoille• ei läheskään yhtä arka syöttöveden epäpuhtauksille kuin Benson-

kattila• vaatii suuren omakäyttötehon sekä hyvän automatiikan• vaatii korkeatasoisen vedenkäsittelyn• pieniä kuormia on hankala ajaa


Tulistimet• Tulistin on höyrykattilakomponentti, jonka tarkoitus on kuumentaa

höyrystimestä tuleva höyrystetty vesihöyry energialähteen lämpöenergialla höyrystymislämpötilaa korkeampaan lämpötilaan

• Kattilan tulistin koostuu ryhmästä erilaisia tulistimia ja tulistimet koostuvat useista putkielementeistä, jotka lähtevät jakokammioista. Periaatteessa voidaan sanoa, että tulistinyksikkö on nippu teräsputkia, jotka roikkuvat tulipesän katosta

• Mitä kuumempana höyry saadaan johdettua höyryturbiiniin, sitä suurempi liike-energia

• Materiaaliteknisistä syistä johtuen tulistuslämpötilat ovat suurimmillaan noin 550 °C:ssa


Tulistimet

• Tulistimet sijoitetaan tulipesän yläosaan, jossa savukaasut ovat riittävän kuumia tulistamaan höyryn haluttuun lämpötilaan

• Tulistimien kuumennus savukaasuilla on kannattavaa myös sen takia, että putket eivät pääse ylikuumenemaan läheskään yhtä helposti kuin säteilylämmönsiirtoa käytettäessä


Tulistimet

Höyryltä vaaditaan tasalämpöisyyttä koska:• jos lämpötila laskee, sähköntuotanto laskee • jos lämpötila nousee, saattavat tulistinputket ylikuumentua

Tavallisesti lämpötila saa vaihdella noin ±5 °C viimeisen tulistusvaiheen jälkeen. Tulistuslämpötilaa voidaan säätää usealla tavalla, esimerkiksi ruiskuttamalla vettä tulistetun höyryn joukkoon tulistusvaiheiden välissä tai sekoittamalla kolmitieventtiilin avulla tulistetunhöyryn joukkoon viileämpää höyryä


Tulistimet

Teräksisiä tulistinputkia


Tulistimet

Tulistimet voidaan jakaa sijoitustapansa mukaan seuraavasti:

– säteilytulistin– verhotulistin– konvektiotulistin– yhdistelmätulistin


Säteilytulistin

• Säteilytulistin on lähes poikkeuksetta seinätulistin ja se sijaitsee tulipesän yläosassa

• Säteilytulistimissa käytetään suuria höyrynvirtausnopeuksia, jotta lämmönsiirtoputkisto ei pääse ylikuumenemaan

• Putkiston jäähdytys on tärkeää, koska lämpö siirtyy säteilynä ja sitä saattaa virrata tulistimeen hyvinkin nopeasti


Konvektiotulistin

• Yleisin höyrykattiloissa käytetty tulistin on konvektio- eli kosketustulistin

• Konvektio tarkoittaa aineen mukana kulkemista eli lämpö kulkee savukaasujen mukana

• Konvektiotulistimia on valmistettu kahdenlaisia, pysty- ja vaakaputkitulistimia

• Vaakaputkitulistimet on suunniteltu vesitettäviksi ja niitä käytetään varsinkin suurten kattiloiden primääriosissa


Yhdistelmätulistin

• Yhdistelmätulistimella tarkoitetaan tulistinta, josta osa toimii säteilytulistimena ja osa konvektiotulistimena

• Tulistin on jaettu siten, että pidemmät tulistimenputket ovat suoraan kosketuksessa liekkien kanssa, jolloin lämpö siirtyy enimmäkseen säteilemällä, kun taas lyhyemmät tulistimenputket koskevat ainoastaan savukaasuihin, jolloin lämpö siirtyy konvektion avulla


Tuloveden esilämmitin (EKO)

• EKOn eli syöttöveden esilämmittimen avulla lämmitetään vettä lähemmäksi höyrystymislämpötilaa

• Tavanomainen syöttöveden lämpötila keskikokoisissa ja pienissä kattiloissa on noin 100-200 °C

• Lämmön lähteenä käytetään savukaasuja

• EKO parantaa laitoksen hyötysuhdetta ottamalla savukaasuissa jäljellä olevaa lämpöenergiaa hyötykäyttöön


Tuloveden esilämmitin (EKO)

• Rivoituksella lisätään pinta-alaa, jonka kautta lämpö pääsee siirtymään savukaasuista tuloveteen

• Segmentoitu spiraaliripaputki on nykyisin yleisin malli


Tuloilman esilämmitin (LUVO)

• Ilmanesilämmittimellä, eli palamisilmanesilämmittimellä kuivataan polttoaineesta kosteutta, tehostetaan polttoaineen syttymistä sekä nopeutetaan palamista

• Palamisilman esilämmitys on erityisen tärkeää, kun poltetaan esimerkiksi kivihiiltä, turvetta tai muita heterogeenisiä polttoaineita

• Palamisilman esilämmityksen merkitys korostuu kosteuden ja heterogeenisyyden kasvaessa

• LUVO sijoitetaan viimeiseksi lämmönsiirtimeksi kattilassa


Osa 3 Polttolaitteet

• Poltinpoltto:– öljypoltto– kaasunpoltto– kiinteänaineen poltinpoltto

• Leijukerrospoltto

• Arinapoltto– Kiinteä tasoarina– Kiinteä viisto- tai porrasarina– Alasyöttöarina– Mekaaninen ketjuarina– Valssiarina


Poltinpoltto

• Polttolaitteen ajatuksena on saada polttoaine palamaan, jolloin polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia saadaan vapautettua lämmöksi

• Palamisen hyötysuhteen täytyy olla hyvä eli polttoaineen pitää palaa mahdollisimman täydellisesti niin, että ilmaylimäärä jää mahdollisimman vähäiseksi

• Palamisen täytyy olla tasaista ja palamista tulee voida säätää tarpeen mukaan


Poltinpoltto

• Eri polttolaitteita on kehitetty erilaisiin tarkoituksiin, näitä ovat:

– nestemäisille, kaasumaisille ja kiinteästä polttoaineesta valmistetulle pölylle soveltuvat erilaiset polttimet

– kiinteille polttoaineille soveltuvat erityyppiset arinat

– kiinteille polttoaineille soveltuvat erityyppiset leijukerrosratkaisut


Poltinpoltto• Tulipesällä tarkoitetaan kattilan liekkiä sekä liekkejä ympäröivää

kattilan osaa. Tulipesän seinämissä on tulipesää jäähdyttävä putkisto, jonne osa tulipesän tuottamasta lämmöstä siirtyy. Loput tulipesän tuottamasta lämmöstä siirtyy kuumien savukaasujen mukana kattilan muihin osiin, useimmiten ensimmäiseksi tulistimiin

• Polttolaitteiden ja tulipesän hyvä yhteen sovittaminen on tärkeä kattilan suunnitteluun liittyvä tehtävä, tärkeää on myös saavuttaa paras mahdollinen palamistulos

• Poltinpoltossa tulipesän tulee olla riittävän suuri, jotta savukaasujen ja samalla myös syötetyn polttoaineen viipymäaika tulipesässä on palamisaikaa suurempi


Öljypoltto• Tavallinen öljyjen jako tapahtuu niiden käyttöominaisuuksien mukaan

kevyisiin ja raskaisiin polttoöljyihin

• Kevyet polttoöljyt ovat helposti juoksevia ja palavia tisleitä, joiden polttaminen on yksinkertaista eikä vaadi kalliita laitteita

• Raskaat polttoöljyt ovat jo huoneenlämmössä liian jäykkiä käsiteltäviksi, joten niiden juoksevuus on varmistettava riittävällä lämmityksellä sekä kierrätyksellä

• Raskaan polttoöljyn laadun valintakriteereihin vaikuttaa laitoskoko ja käytössä olevan aineen lämpötilataso. Kevyet laadut sopivat yleensä pienemmille lämpökeskuksille, kun taas jäykimmät laadut sopivat suuriin laitoksiin


Öljypoltto

• Öljy siirretään esilämmittimistä tulipesään polttimen kautta. Polttimen pääosat ovat sumutin, ilmarekisteri sekä apulaitteet

• Polttimille johdetaan palamisessa tarvittava ilma yleensä sopivaan lämpötilaan esilämmitettynä

• Polttimelle johdettavan öljyn yleinen mittauspaikka on heti esilämmittimen jälkeen. Tämän mittasuureen avulla voidaan myös säätää polttimille johdettavan ilman määrää. Öljyn painetta, lämpötilaa ja viskositeettiä voidaan myös seurata


Kaasunpoltto

• Yleisimmät poltettavat kaasut ovat maakaasu, nestekaasu ja kaupunkikaasu

• Muita kaasuja, joita voidaan hyödyntää, ovat erilaiset biokaasut sekä kaatopaikkakaasut

• Lisäksi teollisuudessa syntyy prosesseissa muitakin poltettavia kaasuja


Kaasunpoltto

• Kaasujen etuja verrattuna kiinteisiin tai nestemäisiin polttoaineisiin ovat muun muassa:– helppo palamisen valvonta– laaja säätöalue– pienet päästöt– hyvä palamisen hyötysuhde


Kaasunpoltto

• Maakaasulle ja nestekaasulle suunnitellut polttimet jaetaan yleensä kahteen peruspoltintyyppiin polttokaasun ja palamisilman sekoitussuhteiden perusteella: atmosfääripolttimet ja puhallinpolttimet

• Atmosfääripolttimessa palamiseen tarvittava ilma imetään polttimen ympäristöstä polttokaasun virtauksen ja kattilan vedon aiheuttaman virtauksen avulla. Atmosfääripoltin on yleinen kotitalouksissa ja sitä käytetään myös pienehköissä teollisissa kohteissa


Kaasunpoltto

• Puhallinpolttimessa palamisilma sekoitetaan polttokaasuun puhaltimen avulla. Puhaltimen ansiosta tulipesään saadaan helpommin haluttu painetaso ja sopivat virtausolosuhteet. Kun painetaso ja virtausolosuhteet ovat hyvät, on palaminen ja lämmönsiirto tehokasta hyvän sekoittuvuuden takia

• Puhallinpoltin on monimutkaisempi ja kalliimpi kuin atmosfääripoltin, mutta sitä käytettäessä saadaan kattilan hyötysuhde paremmaksi. Tästä syystä lähes kaikki teollisuudessa käytettävät polttimet ovat puhallinpolttimia


Kiinteän polttoaineen poltinpoltto

• Kiinteillä polttoaineilla tarkoitetaan hiiltä, turvetta ja puuta

• Pölypoltossa polttoaine syötetään hienoksi jauhettuna polttimen kautta tulipesään, jossa se palaa hyvin nopeasti

• Kiinteä polttoaine on jauhettava tarpeeksi hienoksi, jotta se ehtii palaa tulipesässä viipymänään aikana

• Kostea polttoaine on kuivattava ensin, kuten esimerkiksi jyrsinturve



• Pölypoltto sopii teoriassa kaiken kokoisille kattiloille, mutta polttoaineiden käsittelylaitteiden tarpeen takia pölypoltto on kannattavaa vasta, kun kattilateho on suuri

• Pölypolttimessa tulee saada aikaan stabiili, mahdollisimman täydellinen palaminen, jotta ilmaylimäärä ja päästöt saadaan mahdollisimman vähäisiksi



• Tuhka, jota on hiilessä n. 10% ja turpeessa n. 5%, voidaan poistaa kahdella tavalla, joko sulana tai kiinteänä

• Tulipesää kutsutaan tämän mukaan kuivapesäksi tai sulapesäksi



• Kuivapesän tuhkan erotus tapahtuu pääasiallisesti sähkösuodattimen avulla (noin 75-85%). Kattilan pohjan kautta poistetaan kuivaa kuonaa sammutusaltaan ja laahakuljettimen avulla (10-15%)



• Sulapesäkattilassa lämpötilaa pidetään niin korkeana, että tuhka pysyy sulana. Näin saadaan suurin osa sulasta tuhkasta poistettua suoraan tulipesästä

• Sulapesäkattiloita on käytössä lähinnä Keski-Euroopassa. Suomeen on jyrsinturpeen polttoa varten rakennettu muutamia syklonimallisia alle 15MW:n sulapesäkattiloita


Arinapoltto

• Arinalla tarkoitetaan kattilan pohjalle sijoitettavaa polttolaitetta, jonka päällä kiinteä polttoaine palaa joko paikallaan tai hitaasti liikkuvana kerroksena

• Hyvin toimivia arina ratkaisuja on olemassa varsinkin hiilelle, puulle ja puujätteelle

• Arinoita ei voida käyttää teollisuuden jäteliemille niiden sisältämän suuren tuhkapitoisuuden vuoksi


Arinapoltto

• Nykyään arinoita rakennetaan lähinnä alle 10MW käyttötehoja varten sekä suuriin jyrsinturpeen pölypolttokattiloiden jälkipolttoarinoiksi

• Arinaraudat ovat usein valurautaa, jonka lämmönkestävyyttä voidaan lisätä kromiseostuksella


Kiinteä tasoarina

• Kiinteä tasoarina on ratkaisultaan yksinkertaisin. Tavallisesti tasoarinat koostuvat kannatuspalkkien varaan ladotuista arinasauvoista. Tasoarinoita käytetään pienissä kattiloissa, joihin polttoaine syötetään käsin


Kiinteä viisto- tai porrasarina

• Polttoaine saadaan kulkemaan painovoiman avulla, kun arina sijoitetaan 30°-50° kulmaan. Viistoarinan jälkeen on usein jalka-arinaksi nimetty tasoarina, jolla saadaan polttoaineen loppuun palaminen varmistettua

• Viistoarina on ollut yleinen teollisuudessa puun ja puujätteen poltossa


Kiinteä viisto- tai porrasarina

• Porrasarinalla tarkoitetaan viistoarinaa, jonka arinaraudat on sijoitettu porrasmaisesti toistensa päälle, tällöin ilma johdetaan arinarautojen välistä vaakasuoraan suuntaan

• Viistoarinan polttoaineelle ei tarvitse asettaa laatuvaatimuksia ja kosteuden yläraja on noin 60%

• Viistoarina voidaan myös mekanisoida, jolloin polttoaine liikkuu arinassa arinarautojen tärinän tai liikkeen vaikutuksesta. Mekaanista viistoarinaa käytetäänkin lähinnä huonohkolaatuisten polttoaineiden polttamiseen, kuten esimerkiksi kostean puun tai turpeen


Alasyöttöarina• Polttoaineen syöttö tapahtuu

arinan pohjasta käsin • Polttoaine siirtyy tulipesän

keskelle ruuvikuljettimen avulla

• Palamisilma on esilämmitettyä ja se tuodaan arinaan arinan alta rengasmaisia kanavia pitkin

• Sekundääri-ilma voidaan tuoda kattilaan tangentiaalisesti, jolloin polttoa voidaan kutsua myös syklonipoltoksi


Mekaaninen ketjuarina

• Mekaaninen ketjuarina on sarja tasoarinoita liitettynä toisiinsa päättymättömäksi matoksi, joka liikkuu kahden telan välillä. Matto liikkuu hitaasti noin 3-30m/h nopeudella.

• Ketjuarinan polttotehon säätö tapahtuu joko polttoainekerroksen korkeutta säätämällä, arinan nopeutta säätämällä tai palamisilman määräsäädöllä


Mekaaninen ketjuarina

• a = polttoaineensyöttö• b = kerroskorkeuden säätö• c = ilmakammio• d = sekundääri-ilma• e = kuonamurskain• f = kuonan sammutin


Valssiarina

• Valssiarina muodostuu sylinterinmuotoisista pyörivistä valsseista. Primääri-ilma tuodaan valssiin, josta se siirtyy arinarautojen lävitse polttoaineeseen. Valssien avulla saadaan polttoaine sekoittumaan tehokkaasti. Tehokasta sekoitusta tarvitaan erityisesti poltettaessa erityisen huonolaatuista ja heterogeenistä polttoainetta, kuten yhdyskuntajätettä


Leijukerrospoltto

• Leijukerrospoltto mahdollistaa eri polttoaineiden polton samassa kattilassa hyvällä palamishyötysuhteella, vaikka polttoaineet olisivat huonolaatuisia

• Leijukerrospolton palamislämpötilat ovat alhaiset, jolloin myös typenoksidipäästöt jäävät pieniksi

• Syöttämällä kalkkia suoraan tulipesään, saadaan savukaasujen rikinpuhdistus suoritettua edullisesti


Leijukerrospoltto

• Leijutustapoja on kaksi, leijupeti ja kiertopeti

• Leijupetikattilan hiekan raekoko on 1mm-3mm ja leijutus nopeus 0,7m/s–2m/s. Hiekkakerroksen korkeus on alle metri

• Kiertopetikattiloissa käytetään hienojakoisempaa petimateriaalia ja kiertopetikattiloiden leijutusnopeus on 3m/s – 10m/s ja hiekan raekoko on 0,1mm - 0,5mm


Leijukerrospoltto

Leijupetin periaate

• Ilma syötetään alhaalta leijukerrokseen sopivalla nopeudella, jolloin petikerros alkaa leijua, mutta ei lähde lentoon savukaasujen mukana


LeijukerrospolttoKiertopetin periaate

• Kiertopetin pintaa ei ole havaittavissa ja petimateriaali kiertää leijutuskaasun mukana. Savukaasujen mukana kulkevat hiukkaset ja mahdollinen polttoaine erotetaan syklonissa savukaasuista ja palautetaan takaisin tulipesään

Date post:	06-Mar-2023
Category:	Documents
Upload:	khangminh22
View:	0 times
Download:	0 times

Timonen.Jere.pdf - Theseus

Documents